Dr. Gottlieb Strassacker Dr.-Ing. Gottlieb Strassacker
Dozent an der
Universität Karlsruhe
in Ruhestand

Faszination Lautsprecher - Eine Einführung

Lautsprecher sind eine wunderbare Erfindung: Sie wandeln je nach Prinzip den unhörbaren elektrischen Strom oder die elektrische Spannung in akustisch hörbare Luftschwingungen um. Sie sind demnach Wandler. Man könnte auch sagen, sie „transformieren“ Elektrizität in akustisch wahrnehmbaren Schall. Denn das lateinische Wort „transformare“ bedeutet im Deutschen: „umformen“ oder „umgestalten“. Aber der Begriff „Transformator“ oder „transformieren“ hat in unserem Sprachgebrauch schon die feststehende Bedeutung einer Umformung von elektrischen in wieder elektrische Größen mittels Spulen, die auf einen Eisenkern aufgewickelt sind. Wir bleiben daher für Lautsprecher bei der Bezeichnung „elektroakustische Wandler“. Und die besten dieser Wandler können Sie bei uns bekommen!

Betrachten wir jetzt zwei völlig verschiedene Töne; zuerst einen sehr tiefen Ton, zum Beispiel erzeugt von der angezupften Seite einer Bassgeige oder der angeschlagenen Tieftonseite eines Klaviers, so können wir diese nur deshalb so gut wahrnehmen, weil sowohl bei der Bassgeige als auch beim Klavier deren recht große Resonanzkörper mit in Schwingungen versetzt werden und ihrerseits die umgebende Luft in Bewegung setzen. Anders bei unserem zweiten Ton: Etwa einer kleinen Pfeife, die wir per Mund erregen. Wir hören den hohen Pfeifton laut, auch ohne dass große Resonanzkörper beteiligt sind.

Wir erkennen, Resonanzkörper verstärken oder vermehren die Anregung der Luft. Was aber sind Resonanzkörper oder Resonanzböden? Nun, überall dort, wo man elastische Körper hat (Metallstäbe, Federstähle, eingespannte Harthölzer, Uhrenpendel, natürlich die Korpusse von Geigen, Klavieren oder Trommeln), haben diese ein ihnen eigenes Schwingungsverhalten, eine Resonanzfrequenz. Man erregt sie durch Zupfen, Schlagen, Anstreichen, Auslenken u.a., je nach Beschaffenheit oder Anwendung. Und dann schwingen diese Körper mit einer ihnen eigenen Anzahl von Auslenkungen pro Sekunde, mit einer für sie typischen Frequenz in Hertz, ihrer Resonanzfrequenz. (Hertz sind Schwingungen pro Sekunde, abgekürzt: Hz). Aber sie schwingen nur mehr oder weniger lang, je nachdem, wie stark sie bedämpft sind oder bedämpft werden.

Zurück zu Lautsprechern. Denken wir an deren Membranen. Sie sind elastisch aufgehängt und haben solche bedämpfte Eigenschwingungen, wenn sie elektrisch oder durch Auslenkung der Membran per Hand erregt werden. Allerdings sollen sie so dimensioniert, eingebaut oder betrieben werden, dass sie durch die Bedämpfung schnell wieder in ihren Ausgangs- oder Ruhezustand zurückkehren, damit auch die Folgetöne naturgetreu in Luftschwingungen umgesetzt werden können. Die Dimensionierung besorgt der Hersteller, aber den Betrieb an einem niederohmigen Verstärkerausgang erreicht man nur durch wohldimensionierte Weichen und durch nicht zu dünne Zuleitungen vom Verstärker zu den Boxen. Beides erhalten Sie von uns!

Schließlich wollen wir von unseren Lautsprechern ja eine Akustik hören, die mit der Originalmusik möglichst gut übereinstimmt. Es sollen akustisch nur jene Schwingungen ausgeführt werden, die den Lautsprechern elektrisch zugeführt werden, was nicht automatisch immer der Fall ist. Würden die Lautsprecher ein Eigenleben führen und zusätzliche Töne erzeugen, dann sprächen wir von „nichtlinearen Verzerrungen“. Sie treten stets bei Übersteuerung des Verstärkers oder zu großem Hub der Lautsprechermembran auf. Würden die Boxen zwar nur die elektrisch vorgegebenen Töne wiedergeben, diese aber bei verschiedenen Frequenzen in anderen Lautstärkeverhältnissen als das Original sie hatte, dann sprächen wir von „linearen Verzerrungen“. Sie treten in geringem Maße fast immer auf. Beide Arten von Verzerrungen gibt es tatsächlich, wenn auch bei qualitativ hochwertigen Lautsprechern und richtiger Aussteuerung nur in der Größenordnung von Bruchteilen eines Prozents gegenüber dem Original.

Dabei müssen wir berücksichtigen, dass der von unseren Ohren hörbare Frequenzbereichzwischen etwa 16 und 16000 Hertz liegt. Allerdings werden die 16000 Hz von älteren Menschen in der Regel nicht mehr wahr genommen. Ihr Hörvermögen geht oft bis etwa 10000 Hz zurück. Dennoch sollte man sich keinesfalls mit Boxen nur bis 10000 Hz begnügen, denn auch die nicht mehr hörbaren Frequenzen erzeugen sogenannte Interferenztöne, die für das ganze Klangbild bedeutungsvoll sind. Interferenztöne sind Differenztöne auch von solchen Frequenzen, die wir nicht mehr hören können. Die 16 Hz oder auch Frequenzen von 16 bis etwa 30 Hz sind mit einfachen und besonders mit zu kleinen Boxen meist nicht reproduzierbar. Man sollte sich daher beim Kauf anspruchsvoller Boxen zusätzlich für einen ausgesprochen hochwertigen Subwoofer für die tiefen Töne entscheiden. Ihn kann man an einer beliebigen Stelle im Raum platzieren; denn sein Ort kann von unseren Ohren im Gegensatz zu Hochtönern örtlich nicht geortet werden. Auch Subwoofer, aktive und passive werden von uns vertrieben.

Jetzt ist es an der Zeit, auch darüber zu sprechen, dass die verschiedenen Lautsprecher innerhalb einer Box unterschiedliche Frequenzbereiche wiedergeben müssen. Das hängt damit zusammen, dass ein einziger Lautsprecher kein Alleskönner ist. Aus diesem Grund enthalten viele Boxen als Dreiwegeboxen Hoch- Mittel und Tieftonlautsprecher. Wie oben schon erwähnt wurde, braucht man große Lautsprecher für tiefe Töne, um durch deren Membran ausreichende Luftmassen in Bewegung zu setzen. Für hohe Töne dagegen genügen kleine Lautsprecher. Ihr bewegtes Organ muss auch viel schneller den höherfrequenten elektrischen Schwingungen folgen können als dies bei einem Tieftöner der Fall ist. Die Mitteltöner decken den mittleren Frequenzbereich ab.

Bild: Idealisierte Frequenzgänge von 1) Tief-, 2) Mittel- und 3)Hochtonlautsprechern. 4) ausgewogener Gesamtfrequenzgang als Summe der Einzelfrequenzgänge.

Unter „Frequenzgang“ versteht man verständlich ausgedrückt, die Wiedergabelautstärken der einzelnen Lautsprecher bzw. der Gesamtbox bei Erregung mit der gleichen elektrischen Spannung (am Verstärkerausgang) über den ganzen Frequenzbereich hinweg.

Jeder Lautsprecher einer Box genügt also einem Teil des hörbaren Frequenzbereiches. Alle Lautsprecher innerhalb einer Box müssen aber zusammen harmonieren und aufeinander abgestimmt werden. Dies geschieht nach richtiger Auswahl in der Regel durch elektrische Siebe und Filter, die man „Weichen“ nennt. Sie bestehen bei guten Weichen aus möglichst verlustarmen Spulen mit dickem Draht und guten Kondensatoren. Will man hier sparen und kauft zu kleine Spulen mit zu dünnem Draht, dann beeinträchtigt man meist sowohl die Qualität guter Lautsprecher als auch deren Eigenschwingungsbedämpfung durch einen niederohmigen Verstärkerausgang.

Wir haben noch nicht gesprochen über die Wirkung des Boxengehäuses. Dazu zuerst ein Gedankenexperiment: Wir nehmen einen großen Tieftonlautsprecher ohne Gehäuse, schließen ihn an den Ausgang eines Endverstärkers an und versuchen, tiefe Töne abzustrahlen. Was passiert? Die Lautstärke ist viel geringer als erwartet. Ursache: Bewegt sich die Membran nach vorn, so gibt es dort eine Kompression der Luft, während auf derRückseite der Membran eine Luftverdünnung entsteht. Folge: Die vorn komprimierte Luft wird nur zum kleinen Teil abgestrahlt, der größere Anteil aber weicht aus über den Rand des Lautsprechers und füllt die verdünnte Luft hinter der Membran aus und umgekehrt. So gibt es ohne Schallwand einen akustischen Kurzschluss. Nun wollen wir’s besonders gut machen und bauen den Lautsprecher in die dafür geschaffene Öffnung einer Wand im HiFi-Zimmer ein. Die Wand sei viele qm groß, akustische Kurzschlüsse gibt es nicht mehr. Da kommt ein Freund voller Neugier zur Tür herein und schließ diese etwas temperamentvoll. Folge: Die Membran des Tieftöners wird aus ihrer Halterung herausgerissen. Die rasch bewegte Tür hat demnach viel zu viel Luft in Bewegung gesetzt und den Lautsprecher zerstört! Diese vermeintliche Ideallösung der sehr großen Lautsprecherwand war alsokeine vernünftige Lösung. Wir hatten ja auch noch keinen Mittel- und keinen Hochtöner vorgesehen. Was bleibt sind Lautsprechergehäuse, die in vielen Größen und Varianten aufgebaut werden können. Detaillierte Baupläne für vernünftige Gehäuse, die zu Ihren Lautsprechern passen, erhalten Sie von uns beim Kauf der Lautsprecher und der Weichen. Außerdem beraten wir Sie gerne über die zweckmäßige Boxenausstattung, abhängig von Ihren Wünschen, von der Größe Ihrer Räume und von der Art der von Ihnen gerne gehörten Musik.

Grob eingeteilt gibt es drei wichtige Arten von Lautsprechergehäusen: Geschlossene Boxen, Transmissionline- oder Umwegboxen und Bassreflexboxen. Beginnen wir mit der geschlossenen Box. Sie wäre äquivalent zu einer unendlich ausgedehnten Wand und damit die ideale Box, gäbe es nicht das Luftvolumen innerhalb der Box. Es wirkt bei der Bewegung der Membran des Tieftöners wie eine zusätzliche Feder und zwar zusätzlich zur Federkraft der aufgehängten Membran. Denn die Luft im Innenraum der Box wird durch die relativ großen Hübe des Tieftöners zusammengepresst und wieder entspannt, wodurch sich die Resonanzfrequenz des Tieftöners zu höheren Werten hin verschiebt. Natürlich wird dieser Effekt umso schwächer, je größer das Luftvolumen der Box ist. Aber wer stellt sich in sein Wohnzimmer Boxen mit einem Innenvolumen von einem oder mehreren Qubikmetern? Dieser Effekt der Erhöhung der Resonanzfrequenz der Box ist sehr unerwünscht, weil wir ja auch tiefe Töne zum Beispiel von Orgeln noch gut hören wollen. Schließlich ist der Tiefstwert der Tonwiedergabe durch die Resonanzfrequenz des Tieftonlautsprechers begrenzt und kann durch eine noch so großes Boxenvolumen nicht weiter verringert werden.

Daher ging man über zu Boxen mit einer Öffnung. Betrachten wir das Transmissionline- oder Umweggehäuse, dasgelegentlich auch als Labyrinthgehäuse bezeichnet wird.. Bei ihr muss der von der Tieftönermembran nach innen bewegte Schall durch Einbau von Trennwänden mit schalldämpfenden Materialien möglichst große Umwege im Boxeninneren machen, bevor er aus der Boxenöffnung austritt. Dabei wird der Labyrinthgang nach außen hin immer enger, so dass sich der innere Schall fast tot läuft. Bei richtiger Dimensionierung ist der dann austretende Schall weitgehend absorbiert und kann nicht mehr gegenphasig zum direkt abgestrahlten Schall störend wirken. Denn gegenphasige Wellen, gleich ob bei Licht oder bei akustischem Schall löschen einander je nach ihrer gegenseitigen Intensität mehr oder weniger aus.

Schließlich bleibt uns noch das Bassreflexgehäuse. Es hat meist eine Öffnung nach vorn. Diese Öffnung ist das Ende eines zylindrischen Rohrstückes, das man als Helmholtzresonator bezeichnet. Dieser Resonator bewirkt eine Phasenumkehr des aus der Öffnung austretenden Schalles, so dass er gleichphasig mit dem direkt abgestrahlten Schall diesen verstärkt.

Dem Labyrinthgehäuse ähnlich ist das selten benutzte Exponentialgehäuse. Es hat auch Labyrinthgänge, jedoch im Gegensatz zur Transmissionlinebox vergrößern sie ihren Querschnitt nach außen hin. Dies bedingt eine recht große Box, die einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist, aber aus technischen Gründen kaum noch benutzt wird.

Die Aufstellung der Boxen ist auch von Bedeutung. Wenn Fernsehgeräte Stereo abstrahlen, ihre Lautsprecher aber nur um die Breite des Fernsehgerätes voneinander entfernt sind, so ermöglicht deren Wiedergabe keine gute Stereomusik. Ganz zu schweigen davon, dass die in Fernsehgeräte eingebauten Lautsprecher so gut wie nie HiFi-Qualität aufweisen. Nein, man sollte die Frontboxen bei CD- oder bei DVD-Wiedergabe mindestens etwa 3 bis 4 Meter auseinander platzieren und der Hörer sollte mit ihnen ein etwa gleichseitiges oder zumindest gleichschenkliges Dreieck bilden, also von jeder Box gleich weit entfernt sein. Sitzt man nicht etwa in gleichem Abstand von den FRontboxen, dann kann bei Interferenz der Schallwellen teilweise Auslöschung auftreten. Gelegentlich ist es zweckmäßig, die Boxen ein wenig in Richtung Sitzplatz zu drehen, da die hohen Töne gerichtet und achsnah abgestrahlt werden. Auch sollten die Hochtöner deswegen ganz grob in Ohrenhöhe der Hörer stehen.

Für eine gute Raumakustik sollten nicht nur gute Boxen richtig aufgestellt sein, Räume dürfen auch akustisch nicht zu hart ausgestattet sein. Denn harte Wände mit z.B. Glasvitrinen und Steinböden erzeugen durch Reflexionen zusätzlichen Nachhall. Der für ein Musikstück erforderliche Nachhall wurde bereits bei der Aufnahme in die Konservierung eingearbeitet.

Bei Verbindung der Boxen mit dem Verstärkerausgang ist auf phasenrichtigen Anschluss der Kabel zu achten. Diese haben dazu eine Markierung, um sie auseinander halten zu können. CD-Testplatten gestatten Kontrollen über den richtigen Anschluss von Links, Rechts und Phase.

Spielt man DVDs ab, so kommen mindestens noch vorn ein Mittenlautsprecher, rechts und links vom Sitzplatz zwei Boxen für den Raumklang sowie ein Subwoofer hinzu. Sie alle müssen nach Frequenzbereich und Lautstärkeeinstellung zueinander passen, um den optimalen Raumklang einer DVD auszunutzen.

Endverstärker werden oft mit einer Empfehlung für die optimale Lautsprecherimpedanz (=Boxen-Eingangsscheinwiderstand gemessen mit Wechselstrom!) verkauft. Manch ein Käufer fragt sich dann, wozu diese Empfehlung gut sei. Denn der Ausgangswiderstand heutiger Endverstärker beträgt nur Bruchteile von einem Ohm. Von einer Leistungsanpassung im Sinne von Boxenwiderstand gleich Verstärkerausgangswiderstand kann also keine Rede sein. Im Gegenteil: Jeder Boxen-Eingangswiderstand sollte doch verwendet werden können? Dem ist nicht ganz so! Als Beispiel wählen wir einen Verstärker mit einer effektiven Ausgangsleistung von Pv = 100 Watt. Diese kann berechnet werden als das Produkt

Pv  = I2 Z. Dabei sei Z der Nennwert der Boxeneingangsimpedanz. (Wir sagen hier „Nennwert“ der Boxeneingangsimpedanz, also des mit Wechselstrom messbaren Boxeneingangswiderstandes. Er wirdvom Hersteller angegeben und betrifft einen mittleren Wert, während diese Boxenimpedanz tatsächlich nicht konstant ist, sondern von der Frequenz abhängt!) Wir berechnen jetzt die maximalen, ebenfalls effektiven Stromstärken an der Boxfür verschiedene Boxenimpedanzen Z:

Lautsprecherimpedanz

16 Ohm

8 Ohm

4 Ohm

2 Ohm

Max. Stromstärke

2,5 A

3,53 A

5,0 A

7,07 A

Der Tabelle entnimmt man, dass bei gleicher abgegebener Maximalleistung von 100 Watt die vom Verstärker abzugebende Stromstärke umso größer ist, je geringer die Boxenimpedanz. Ist nun der Verstärker zwar für 100 Watt Ausgangsleistung gebaut, dabei aber nur für einen maximalen Ausgangsstrom von 3,5 A dimensioniert, dann sollte man ihn nicht mit vier-Ohm-Boxen betreiben, denn dabei würde er eine zu hohe Maximalstromstärke von 5,0 A liefern müssen, würde übersteuert und dabei auch nichtlineare Verzerrungen aufweisen. Man sollte auch nicht je zwei Boxen von 8 Ohm an seinem Ausgang parallel schalten, weil dadurch das gleiche, negative Ergebnis herauskäme. Käme nun jemand auf die Idee, eine höherohmige als die empfohlene Box zu verwenden, weil er dadurch mit weniger Stromstärke höhere Ausgangsleistungen erzielen könne, so trügt diese Idee. Denn Die abgebbare Ausgangsleistung Pv  = I2 Zkann auch angeschrieben werden als Pv = U2/Z. Das bedeutet, dass eine höhere Boxenimpedanz nicht zu höherer Leistung führen wird; denn die Ausgangsspannung U des Verstärkers könnte nicht erhöht werden. Der Versuch nach größerer Aussteuerung würde nur zu starken nichtlinearen Verzerrungen führen!

Noch eine Bemerkung zu akustischer Leistung und Wirkungsgrad. Wenn, wie gerade beschrieben wurde, die Ausgangsleistung eines Verstärkers 100 Watt beträgt und diese 100 Watt an den Klemmen der Box liegen, so ist dennoch wegen des geringen elektrisch/akustischen Wirkungsgrades von etwa 1 Prozent die akustisch abgestrahlte Leistung nur etwa 1 Watt!Diese Definition Ausgangsleistung eines Systems zu dessen Eingangsleistung ist die physikalisch übliche. Daneben gibt es gerade wegen des geringen Wirkungsgrades eine zweite Definition speziell für Lautsprecher. Sie lautet: Der Wirkungsgrad einer Box ist gleich dem Schallpegel im Abstand von einem Meter von der Box, wenn an deren Nennimpedanz (nicht an deren tatsächlichem Eingangswiderstand!) 1 Watt elektrische Leistung angelegt wird. Handelt sich um 4 Ohm - Boxen, dann 2V an deren Eingang, handelt es sich um 8 Ohm – Boxen, dann2,8 V an deren Eingang.